VDSL2串音消除的关键技术（3）

　　(2)时域算法及其优缺点

　　上述算法的共同特点就是都是在频域来处理信号和消除噪声的，考虑到OFDM的特性，在频域处理的方法利用了OFDM各子载波之间的这种正交性。但是如果正交性被破坏，那么这种处理方案会因为非正交而产生误差，这种误差有时候还很大。不正交有两种情况，一种是因为时延，CPE发送的信号和CO的信号之间不同步，还有一种是不同端口之间的不同步，包括时钟不同步以及帧不同步。

　　为解决上述问题，VDSL2定义了一些手段来保证同步，一种是时间优先(TA：TimingAdvance)，一种是同步模式(SynchronousMode)。前者通过在CPE的发送信号上引入一个与传输时延相同的提前量，使得发送信号和接收信号同步。后者是所有工作在同步模式的CO端收发器采用同一个时钟源，并且使用同样的循环前缀和循环后缀以及窗口的长度，这样CO发送的信号的子载波之间是正交的，再加上TA，CPE端也能达到同步状态。不过帧同步依旧不能保证，因而仍然存在不正交的问题。

　　还有一种可能的方案是在时域识别串音干扰并进行串音消除处理，同样也可以分为预补偿和联合接收。由于避免了时域到频域的转换需要的去循环前缀和后缀的处理，因此时域处理不需要各端口之间同步，直接对每一个采样点进行处理，时域串音消除无论是理论还是实现方案目前还很少有论文涉及，因此是一个很新的领域。

　　3.串音消除算法

　　(1)下行预编码算法

　　信道估计得到线对间串音传递函数矩阵后即可开始串音消除，实现方法之一就是下行预编码。在下行方向，由于CPE设备不属于同一个用户，因此相互之间不能互相共享信息，而且也为了降低CPE的成本，在下行方向，一般采用预编码(也叫预补偿)的方式，也就是说在CO端先将每一个其他端口的信号经过一个滤波器后加到原来发送的信号中，这个滤波器的设计使得加进去的信号在接收端正好和串音信号相互抵消，达到消除下行串音干扰的目的。如图3所示是通过下行预编码来实现串音消除的原理图。

　　图3下行预编码原理

　　图4所示是通过下行预编码支持FEXTCancellation的系统参考模型[8]，其中FEXTCancellation预编码放在星座映射图和IFFT模块之间。

　　图4通过下行预编码实现FEXTCancellation的参考模型

　　对于用户线的管理组，假设CO端已经通过信道估计获得了串音传递函数矩阵H，则FEXT预编码矩阵可应用于补偿组中各个线路上的主要干扰源。在参考模型中，N×N的矩阵模块代表了组中要通过预编码来补偿的主要干扰源的数目。在知道每个干扰信道发送符号的情况下，预编码可以预补偿实际的发送符号，这样远端接收机输出中，串音就得到了消除(至少是极大地减少了)。

　　在该架构中，假定信道估计是在CO端完成和维持的，而信道估计算法和下行预编码算法则可由设备厂家自己定义，通常定义为四个工作状态：训练状态;局部预编码设计状态;跟踪状态;增加和删除用户状态。

　　当要建立一个串音消除组时，组内的端口首先要进行训练，获得串音传递函数矩阵H，在得到H之后就可以进行串音消除的预补偿或者联合接收了。

　　完成信道估计后，CO端即可以确定并启用一个简化的FEXT预编码器，以针对每个接收机中最强的干扰源进行FEXT消除，我们将第二个状态称为“局部预编码设计状态”。

　　由于信道会随时间变化，因此训练阶段得到的预编码矢量需要跟踪这种变化并进行修正，这就是所谓的跟踪状态，由于信道是缓变的，因此跟踪阶段可以不用太频繁以降低运算量和回传信号带来的开销。

　　当有新用户激活时，就会在新用户和现存用户之间引入新的串音耦合，因此串音传递函数矩阵需要进行更新，这同样适用于有用户下线时的情况，串音消除算法应能适应这种用户的加入或者退出，该状态就是“增加和删除用户状态”，其要求更新简化的预编码器，并触发相关联的跟踪过程。

　　为了学习、跟踪和管理串音传递函数矩阵，要求CO和CPE之间进行消息互通，这通常是由一个低速的回传信道完成。

　　该算法的一个突出优点就是将现存的普通SISO升级为FEXTCancellation系统时，可以只单独升级CO端设备，而不需替换CPE设备，因此可大大节约现有资源，具有很好的可实现性。

　　(2)上行联合接收

　　在上行方向，接收器之间能够互相共享接受到的信息，因此可在得到串音传递函数矩阵的情况下，采用联合接收的方法处理串音干扰。由于不涉及到定义标准接口和协议，因此上行串音消除一般都是采用私有技术来实现的。图5[9]给出了上行联合接收的参考模型。在单信道OFDM解调后的信号经过多信道联合解调后得到消除串扰后的信号再输出到解码器。

　　图5上行联合接收参考模型

　　4.串音消除技术的评估标准

　　鉴于目前串音消除技术是VDSL2中的一个研究热点，文献[10]提出了串音消除技术的评估标准，在综合考虑了电缆束中的线对数、对原信号的干扰大小、要求的设备内存和每秒操作数等参数后，提出了一些评价指标，主要包括信道估计时间、信道估计误差以及实现的复杂性等，可作为串音消除技术研究、开发与实现过程中的评价依据。

　　五、结语

　　串音是影响VDSL2系统性能和稳定性的主要因素之一，目前业界提出了多种针对串音问题的解决方案，其思路分为两种：

　　第一种是通过对整个电缆束中线对上的信号进行联合发送和接收来主动消除串音，使得线路上不存在串音的影响，对应的方案有DSMLevel3。这种方法能使整个电缆性能得到最优化，是未来的发展方向。但由于各线对之间的协调同步涉及到大量的矩阵运算，算法复杂性比较高，且对CPE的底层软件和硬件有很多新的要求，因此目前实现方面还不成熟。

　　第二种是在线路上存在串音的情况下，通过对发送信号进行频谱调整来规避或减小串音干扰，对应的方案有DSMLevel1& Level 2以及静态频谱管理方案。其中，对发送信号的频谱调整基本分为两种方式：对发送信号功率谱密度进行平坦削减的“Power Cutback/Maximum PSD”方法可减小串音，而对发送信号进行频谱隔离的频谱整形方法，由于能防止信号间的频谱重叠，因此可实现串音的规避。此外，虚拟噪声方案的提出是为了应对静态频谱管理无法适应线路环境变化而造成系统稳定性下降的情况。这几种算法本质上都是通过牺牲线路性能来规避或减小串音，无法达到线路上无串音时的性能，但均不涉及CPE底层软件和硬件的修改，在现有设备上也已有部分甚至全部实现。

　　综上所述，目前多种针对串音问题的解决方案，各有优缺点。在实际研究、开发和应用中，要考虑线路和噪声环境、性能、系统复杂性等综合因素的影响，选择适合的算法，以满足VDSL2设备各方面的性能要求。